Performance-Based Design for Seismic Areas | 2017

Revolutionizing Seismic Design with Steel Sheet Piles: A Performance-Based Approach

Auf dem Weg zu einer leistungsorientierten Bemessung von Stahlspundwand-Stützkonstruktionen in Erdbebengebieten

In der aktuellen Praxis werden Spundwandkonstruktionen aus Stahl in der Regel mit benutzerfreundlichen Berechnungswerkzeugen auf Basis von SubGrade Reaction Models (SGRM) oder dem Limit Earth Pressure Approach (LEM) bemessen. Sollen seismische Einwirkungen gemäß den Eurocodes berücksichtigt werden, können dieselben Modelle in Verbindung mit den Bodendruckkoeffizienten nach der pseudostatischen Methode von Mononobe-Okabe (MO) verwendet werden.

Die MO-Koeffizienten wurden jedoch für starre Wände entwickelt und können daher die Flexibilität von SSP-Lösungen nicht berücksichtigen. Dieser sehr konservative Ansatz kann zu einer ungünstigen Auslegung der Spundwand führen oder im schlimmsten Fall dazu, dass SSP-Lösungen in Gebieten mit hoher Erdbebengefahr nicht einsetzbar sind.

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en Englisch AMCRPS_Retaining-ssp-wall-in-seismic-areas_web.pdf
Seismic. Towards perfomance-based design. Example of a configuration calculated by SGRM model_Slider
Seismic. Towards perfomance-based design. Cross-section of the sheetpile wall HZ®-M, AZ®_Slider
eismic. Towards perfomance-based design. Comparison of bending moments M wall and displacements U wall_Slider
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Daher wurde unter der Leitung von ArcelorMittal Global R&D ein Forschungsprojekt ins Leben gerufen, dessen Ziel es ist, Ingenieuren und Hafenbehörden einen wirtschaftlichen und sicheren seismischen Entwurfsansatz für Stahlspundwandkonstruktionen zu vermitteln. Es ist anzumerken, dass marine Wasserbaukonstruktionen das traditionelle Anwendungsgebiet für Stahlspundwandprodukte sind.
In diesem Rahmen wurden genaue dynamische Finite-Elemente-Analysen (FE) durchgeführt und mit herkömmlichen Auslegungsmethoden mit MO verglichen.
Eine typische Fallstudie unter Verwendung einer kombinierten Spundwand aus HZ®-M / AZ® (Abbildung 1) wurde mit Hilfe der beiden Ansätze entworfen: SGRM mit MO-Koeffizienten und einer genauen dynamischen FE-Analyse.

Die Ergebnisse für den dynamischen Lastfall (unter Berücksichtigung einer Spitzenbodenbeschleunigung PGA= 0,4 g an der Bodenoberfläche) zeigen deutlich, dass die maximalen Biegemomente bei Verwendung eines dynamischen FE-Modells um bis zu 40 % geringer sind als bei Verwendung des SGRM-Modells mit MO-Koeffizienten.
Anhand dieser typischen Fallstudie wurde deutlich, dass seismische Effekte durch die aktuellen Bemessungsmethoden überschätzt werden.
In einer zweiten Phase wurde in Zusammenarbeit mit Professor Gazetas von der Universität Athen eine Bewertung der seismischen Belastungen einer kombinierten Stahlspundwand (Abbildung 2) mit verschiedenen Böden und Erdbebenintensitäten durchgeführt, um die Ergebnisse der Vorstudie zu bestätigen.

Die Ergebnisse wurden zwischen aktuellen Entwurfsmethoden mit MO- und FE-Analyse sowie Finite-Differenzen-Modellen verglichen, um die für den (Vor-)Entwurf von Strukturen zu verwendenden Werkzeuge zu validieren. Da die Verwendung von FE-Modellen zeitaufwändig sein kann, trug die Optimierung der Modellierung zur Verkürzung der Berechnungszeit bei.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die mit den fortgeschrittenen Modellen ermittelten Biegemomente erneut deutlich kleiner ausfielen als mit SGRM. Die Biegemomente waren nicht empfindlich gegenüber der verwendeten FE- oder Finite-Differenzen-Software. Mit zunehmender Erdbebenintensität zeigten die Verschiebungen jedoch eine größere Streuung. Ein Ergebnis dieser Studie ist ein Satz von Bodenbewegungen, die an Eurocode 8 angepasst sind und für die Vorentwurfsplanung verwendet werden können. Diese Bodenbewegungen decken verschiedene Situationen ab, je nach Intensität und Bruchmechanismus des seismischen Ereignisses.